含水林伍德石红外光谱温压效应理论计算

红外光谱测量是地球物理研究矿物中含水的主要实验方法之一,目前已经有大量实验对其进行过相应报道,但是在理论计算方面,还没有关于温度效应的直接计算。本文尝试使用晶格动力学理论计算方法计算了0.1～20GPa和300～2000 K温压条件下的含水林伍德石的红外吸收谱,并分别计算模拟了含水量为0.2%、1.6%和3.3%的3种不同含水量体系。通过设计Mg空位含水机制[V_Mg+2H^·]、Mg-Si反位含水机制[Mg_Si^"+2H^·]和Si空位含水机制[V_Si^""+4H^·]3种含水机制,我们发现,[V_Mg^"+2H^·]含水机制在实验考虑的温压条件下的红外吸收谱均形成主峰,相比另外2种机制,反位机制[Mg_Si^"+2H^·]最不稳定,并且在0.2%下红外光谱十分微弱。随着压力增加,[V_Mg     

陨石中林伍德石的形成条件对寻找地球产状林伍德石的启示

橄榄石高压多形林伍德石被认为是地幔过渡带的主要矿物。天然产状林伍德石主要在发生强烈冲击变质的球粒陨石冲击脉体中出现。目前还没有在地球岩石中发现林伍德石的报告。陨石冲击脉体的温度压力历史和矿物组合特征研究表明,林伍德石形成后,高压下淬火是使林伍德石不发生退变作用的重要条件。陨石中有利于林伍德石保存的淬火时间仅为数秒到十多秒。在地球上任何地质事件中,均难以实现在如此短的时问内使位于地幔过渡带的林伍德石被带往地球表层。寻找地球产状的林伍德石,关键是要在岩石和矿物中存在有利于林伍德石保存的条件,特别是当这些岩石和矿物仍处于高温的环境时。     

高温高压下黄铁矿热力学性质的第一性原理研究

黄铁矿是自然界中分布最为广泛的硫化物矿物,同时也是重要的造矿矿物,在金属矿床、沉积岩、变质岩、花岗岩、基性-超基性岩浆岩、以及地幔岩中都有大量出现。因此,研究黄铁矿在不同温度压力下的热力学性质可以为深入探讨与黄铁矿有关的成岩、成矿、成藏问题提供有用的矿物学依据。本文利用基于密度泛函微扰理论的第一性原理方法,采用准谐近似计算了黄铁矿在高温高压下的热力学性质。我们计算的黄铁矿的晶格常数、零压下的体积模量及其对压力的导数与前人的实验及理论计算结果吻合得很好,零压下等压热容和熵随温度的变化与实验结果有很好的一致性。尤其是,本文计算了直至2500K、100GPa的高温高压下黄铁矿的等温体积模量、热膨胀系数、热容和熵等热力学性质。这为在有硫参与的情况下,人们开展下地壳-岩石圈地幔深度的地球动力学模拟和建立地球物理模型提供了有用的信息。     

钙钛矿镧钛酸钾电子结构的第一性原理研究

采用赝势法的第一性原理,计算了K2La2Ti3O10的电子密度分布和能带结构等基态物理性质.结果表明,K2La2Ti3O10属间接带隙半导体,理论带隙为3.2 eV,其导带主要由Ti的3d轨道构成,价带主要由氧的2p轨道构成.钛原子的d电子与镧原子的d电子和氧原子的2p电子之间的轨道杂化对K2La2Ti3O10的能带结构和光催化活性有着重要的意义.     

稀土掺杂板钛矿的光催化活性的第一性原理研究

基于第一性原理,以板钛矿相TiO2和稀土掺杂板钛矿相TiO2原胞为基本模型,利用MS4.0软件的castep模块结合ATK软件计算了17种稀土掺杂板钛矿相TiO2的态密度、晶格能和能隙等参数。结果证实,除Sc、Y外,其余稀土元素均有利于降低板钛矿相TiO2的能隙,这一现象与稀土外层的4f电子结构相对应。Sc和Y有利于降低板钛矿相TiO2的晶体形成能,这与此类化合物的合成能相关。     

通过第一性原理预测内地核的成分与结构

内地核成分与结构的确定一直是地球深部研究的重要课题。目前地核的公认成分是铁和少量的镍。但由于地核密度低于纯粹的铁镍合金(固态内核2%～3%,液态外核6%～7%),其中必定掺杂有一定量的轻元素,其种类与浓度有待确定。除成分外,地核条件下铁的晶体结构也存在争议。根据地震学观测,声波沿地轴方向的传播速度比赤道平面方向快大约3%～4%。这意味着内地核是各向异性的;但在极端高压下,晶体结构中的原子应该按致密的密排六方结构(h.c.p)排列,而h.c.p结构对声波传输是高度各向同性的,这就需要确定地核条件下铁的晶体结构。根据第一性原理计算得到的高压下体系能量以及爱因斯坦谐振子模型,本项研究估算了给定结构的自由能以及掺杂轻元素后的影响。根据计算结果可以定性的分析得出,在高压OK下致密的h.c.p结构显然比疏松的体心立方(b.c.c)更稳定;而随着温度的升高,原子核的振动造成b.c.c结构的自由能比h.c.p结构下降得更快,因此在高温下b.c.c结构更稳定;掺杂轻元素后,这种优势变得更加明显,而3.6at.%的Si则恰好同时解释了2%～3%的密度缺失和b.c.c结构在内地核条件下的稳定性。因此我们建议内地核的基本结构与成分应为以体心立方结构存在的铁,掺杂约3.6at.%的硅元素,内地核温度至少在5500K以上。这一结论与其它更复杂的方法得到的结果一致。     

掺Fe和V的金红石电子结构的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺杂Fe和(或)V的金红石型TiO2的电子结构进行了计算。理论模拟的结果表明,纯金红石的禁带宽度为1.98 eV;Fe掺杂金红石型TiO2的禁带宽度为2.18 eV,由Fe3d和O2p轨道杂化在禁带中间形成了两条杂质能级;V掺杂金红石型TiO2的禁带宽度减小为1.80 eV,由V3d和O2p轨道杂化形成的杂质能级位于金红石的导带底,引入了一个浅施主能级;Fe和V共掺杂的金红石禁带中存在一个较宽的杂质能带,禁带宽度减小为1.73 eV。杂质能级的出现以及禁带宽度的减小使得Fe和V掺杂的金红石具有更好的可见光响应能力。同时,Fe和V的类质同像替代使得金红石中MO6八面体具有较大的畸变程度,有助于表面缺陷的增加,从而为光催化反应提供天然活性位。为进一步深入揭示含铁、钒等杂质的天然金红石的可见光催化机制提供了理论支持。     

掺杂Fe、Cd闪锌矿电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺Fe和(或)Cd的闪锌矿型Zn S的电子结构进行了计算。计算结果表明,纯闪锌矿的禁带宽度为2.85 e V;掺Fe浓度为3.125%的闪锌矿禁带宽度为2.58 e V,且Fe的3d和S的3p轨道杂化在禁带中引入了两条杂质能级;随着掺Fe量的增加,杂质能级的宽度和峰高也随之增大;掺Cd闪锌矿的禁带宽度为2.68 e V,并在下价带底引入一条杂质能级;Fe/Cd共掺杂的闪锌矿禁带宽度为2.49 e V,在禁带中出现的两条施主杂质能级可提高闪锌矿的可见光响应及催化能力。计算结果为深入探讨天然闪锌矿的可见光催化机制提供了理论支持。     

天然可见光催化剂闪锌矿半导体电子结构的第一性原理计算

天然半导体矿物闪锌矿在自然界中储量丰富,具有优良的可见光催化性能,它们与日光及微生物的协同催化作用已经并且正缓慢修复着地球表层被污染的环境。天然产出的闪锌矿中存在以类质同象替代Zn的Fe、Cd和Ga等,对其电子结构产生一定的影响,继而影响天然闪锌矿的     

含水岩石激发极化场的时间叠加性

本文用实验结果证实了含水岩石激发极化场的时间叠加性。指明在线性条件下,据某一充电时间测得的放电曲线可以换算出其它任何充电时间的放电曲线。给出了换算式,并讨论了时间叠加性在某些方面的应用。     

α-PbO2型TiO2电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,从第一性原理计算的角度,应用GGA对TiO2的高压相α-PbO2型TiO2的晶格参数和电子结构作了比较系统的计算,得到优化后的晶格参数与实验值十分符合.电子结构计算表明α-PbO2型TiO2属于间接带隙半导体,其禁带宽度为2.47 eV,大于锐钛矿型TiO2计算的带隙值Eg=2.12eV,主要原因在于α-PbO2型TiO2结构具有较低的晶体对称性,并且其Ti-O平均键长更长,Ti与O离子的正负电荷数较少,Ti3d轨道与O2p轨道杂化程度较弱.在理论上确认对称性较低的高压矿物-α-PbO2型TiO2高压相的光催化效果不及常态相锐钛矿型TiO2好.     

地质流体中络合物同位素平衡分馏系数的第一性原理计算

地质流体中不同络合物之间的稳定同位素平衡分馏系数是利用稳定同位素示踪地质流体演化过程的必要前提.但由于受实验条件的限制,流体中部分元素不同络合物之间的同位素分馏系数难以通过实验精确测定.基于第一性原理的理论计算是获得溶液中不同络合物之间稳定同位素平衡分馏系数的一种重要手段,能够获取各种极端条件下同位素分馏系数.在应用第...     

U、Pb稳定同位素核体积效应的第一性原理计算

<正>1研究背景及意义核体积效应是由同位素原子核大小和形状的不同而引起基态电子能不同的同位素分馏现象,它是重元素稳定同位素体系独特的现象。核体积效应改变了一些同位素的传统认识,是未来涉及第五、六周期重元素稳定同位素分馏研究不可或缺的部分。近年来的一些研究都发现核体积效应所引起的重元素同位素体系     

NAMs柯石英中结构水的红外光谱和第一性原理计算

从微观尺度研究结构水的分布状态可以为超高压变质岩的形成环境、构造演化动力学过程提供重要的依据.为探讨大别山地区超高压变质岩中"名义上无水矿物"（nominal anhydrous minerals,NAMs）结构水的分布特征、赋存状态与超微结构缺陷的关系,对大别山石马地区榴辉岩中的柯石英进行了傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析和第一性原理计算.FTIR研究表明柯石英主要吸收峰为（Ⅰ）3 561~3 580 cm-1、（Ⅱ）3 433~3 462 cm-1和（Ⅲ）3 412~3 425 cm-1;柯石英颗粒结构水含量为15×10-6~52×10-6,平均值是32×10-6.第一性原理理论计算得到了柯石英（4H）_Si和（AlH）_Si复合缺陷超晶胞模型（2×1×1）的形成能分别是-4.92 eV和-3.10 eV;含氢缺陷模型计算结果得到3 526 cm-1和3 198 cm-1的拉曼峰与柯石英的合成实验结果基本符合.FTIR分析表明石马地区柯石英结构水含量具有不均一性;模拟计算得到（4H）_Si复合缺陷模型比（AlH）_Si有更低的复合缺陷形成能,有更加稳定的结构,柯石英结构水中（OH）₄$ \Leftrightarrow $Si氢结合机制是优先模式,为实验研究提供理论依据.      

含水砂层隧道围岩失稳破坏机制及控制研究现状综述

饱和动态含水砂层的工程力学特性及隧道围岩的失稳破坏机制及稳定性控制是含水砂层隧道设计与施工中的重要课题。在回顾砂土应变局部化问题研究现状基础上,重点介绍了含水砂层隧道工程中隧道围岩稳定性问题的研究现状及存在的问题。提出了含水砂层隧道围岩渐进性失稳破坏过程中有待研究的问题,这将有助于含水砂层隧道设计与施工水平的提高。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

岩溶含水介质渗透性参数空间最优估计的原理与方法

本文着重阐述区域化变量理论和克立格法在岩溶含水介质渗透性分析中的应用，并对岩溶含水介质渗透性参数空间最优估计的方法进行了探讨。     

铀石形成机制的初步探讨

铀石系与沥青铀矿密切共生的原生矿,广泛出现于印支期后较年轻的热液脉型和各种砂岩型铀矿床中。铀石的这种产出特点,虽然是由成因所决定的。为提高认识和深入找矿,对其形成机制实有探讨之必要。铀石系铀的硅酸盐,其形成机制离不开铀和硅酸的活度、迁移和沉淀的物化条件。石英和非晶质二氧化硅都能溶于水形成硅酸。在25℃、1个大气压的标准状态下,非晶质二氧化硅在水中的平均溶解度为120PPM,而石英为 6PPM。由于花岗岩和砂岩中的硅主要为石英,故只把石英在水中的溶解度作为硅酸的活度进行研究。据肯尼迪资料(1950),石英的溶解度与压力、温度和PH值有关。在水温>374.2℃